AC-DC電源設計の秘訣：ここが小型化、効率化のポイント！（3/3 ページ）

[Hiren Shah（英XP Power社），EDN]

冷却の手段

　パワー半導体はできる限り、電源の筐体など放熱効率の高い部分に直接実装するようにする。それに当たって、従来はシリコングリスなどの熱ペーストを使用していた。現在では、熱ペーストの代わりに米The Bergquist社などの企業が提供する熱伝導材を使用することにより、パワーデバイスのタブを、基板に直接はんだ付けされた放熱部品に取り付けることが可能になる。これによって電気的に絶縁した状態での放熱が可能になる。この方法のほうが、熱ペーストを使用する場合よりも高い安定性と信頼性が得られる。

　また、強制冷却が必要なら、3線式インテリジェント冷却ファンを使用するのもよいだろう。この種の冷却ファンは比較的高価だが、ファンの雑音も考慮しなければならないのであれば、積極的に使用したい。その場合、冷却ファンが与えられた動作条件に対して必要以上の速度で動作しないようにする。つまり、ファンの速度は温度に対応して変化させるべきだ。これによって雑音と消費電力の2つを低減することができる。

　冷却ファンの制御については、低価格なファン制御用ICがすでに市場に出回っている。それらを利用すれば、独自の制御回路を設計するよりもコストを下げることができる。

　雑音に関しては、冷却ファンの接触防止用格子についても考慮すべきだ。その穴の形状や間隔について、実験によって冷却能力や雑音を確認することをお勧めする。冷却ファンが設置されたパネルと同じ面上から、数ミリメートル離して格子を配置すると、ファンの雑音は5〜6dB低下する。これは人間の耳でも容易に聞き分けることができるほどの違いである。

デジタル制御

　ここ数年、「デジタル電源」と呼ばれるデジタル制御方式を用いた電源が話題になっている。比較的、規模の大きい電源システムで活用したほうがその効果が得やすいと思われるが、POL（point of load）コンバータの中にもデジタル制御方式を採用するものがある。

　AC-DC電源にデジタル制御を取り入れるか否かは、慎重に判断すべきである。対象とするアプリケーションにおいて絶対に必要でない限り、採用すべきではないだろう。その大げさな宣伝に惑わされてはならない。なぜなら、AC-DCスイッチング電源にデジタル制御を適用した場合、コストがかなり高くついてしまうのだ。デジタル制御ICは50米セントほどで入手できるが、必要となるそのほかの部品コストや製造コストなどを考えると、電源の価格はトータルで10〜15米ドルほど高くなる。1000Wの出力を備えた高価な電源ならば、総コストと比較してこのコスト増を許容できるかもしれない。しかし、ローエンドからミドルレンジの電源では、このようなコストの上昇は許容されないはずだ。

機構設計

図3　縦/横の両方の向きに接続可能な電源の例　XP Power社の「MFA350」は、350W出力のAC-DCスイッチング電源である。1インチ立方当たり11.2Wという電力密度を実現する。Uチャンネル仕様にのっとった形状で、1ユニット×2ユニットのサイズであるため、縦と横の両方の向きで機器に組み込むことができる。

　機構設計には、設計者の独創性を発揮する余地がある。まず最初に、その電源が使用されるアプリケーションについて考えると良いアイデアが生まれる。例えば、設計すべき電源が、ある特定の規格に基づいたユニット電源であるとしよう。その場合、電源を縦にしても横にしてもその規格形状に収まるように、外形寸法を決定することができるかもしれない（図3）。また、プリント配線板を設計する際にプラグインコネクタやネジ留め端子を実装できるようしておけば、コストを増やすことなく応用分野を広げられるだろう。

　また、プリント配線板上のスペースを節約するために、部品を積層する手法もある。例えば、コイルをEMIフィルタ用コンデンサの上に積層して接着剤で固定できるかもしれない。これが実現できると、EMIフィルタの配線を短くできるため、EMI性能の向上にもつながるだろう。

　このようなアイデアを考えることも重要だが、組み込み先の機器に存在する“壁”や突起などにより、ヒューズや電源ケーブル用のコネクタがふさがれていないかといった、細部に注意を払うことを忘れてはならない。

部品の配置

　電源製品の中には、部品を高い位置から基板上に落として、そのまま接続したかのような、めちゃくちゃな部品配置のものがある。当然のことながら、そのような電源は性能が低い。

　部品の配置で注意すべき点は、プリント配線板上の配線が曲がった場所にインダクタンスが発生し、電磁干渉を引き起こす可能性があることだ。配線板では、入力から出力までの処理の流れに沿って部品を丹念に配置することをお勧めする。そのようにして設計された電源であれば、テスト/点検が容易で、見栄えや特性も良いものだ。